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2019~2022年成都市春节期间烟花爆竹燃放对空气质量影响分析

花匠小妙招
2024-11-08 11:10

摘要: 基于空气质量和PM2.5组分站观测数据, 分析成都市2019~2022年春节期间烟花爆竹燃放对污染物浓度、PM2.5组分和二次转化的影响.结果表明, 烟花爆竹燃放对SO2、PM2.5和PM10浓度影响显著, 2019~2022年集中燃放期内小时浓度平均值分别增加6.7、105.0和117.4μg·m-3, 升幅分别为135%、236%和203%, 集中燃放对其浓度的贡献率分别为10.0%~34.0%、28.1%~31.3%和27.8%~34.6%.烟花爆竹燃放对空气质量影响时间呈小幅下降趋势, 由2019年的42h下降至2022年的38 h, 但对PM2.5浓度影响呈波动变化, 2022年与2019年相当.烟花爆竹燃放主要组分为K、Cl、Al、K+和Cl-等, 集中燃放期内这些组分浓度较高且增长较快, 在PM2.5中的占比为5%~18%, 增幅为87%~1 511%, 对NH4+、V、Cd和Co等元素影响不大, 变化幅度在±20%以内; 与春节前重污染和优良天气相比, K、Cl、Al、K+和Cl-浓度和占比均有明显上升, 浓度是春节前重污染和优良天气的4.9~31.7倍和7.4~68.2倍, 占比均增加4%~8%.二次源、烟花爆竹和生物质燃烧、燃煤和工业是2019~2022年春节期间PM2.5主要来源, 烟花爆竹和生物质燃烧贡献率为13%~25%, 2019年和2022年贡献率较高.从气象条件对烟花爆竹燃放影响来看, 高湿、低风速和低温会加剧烟花爆竹燃放对空气质量的影响, 反之亦然.风速主要影响Al、K+、Cl-和SO42-等组分, 相对湿度主要影响NO3-和NH4+等二次组分.

Analysis of the Impact of Fireworks on Air Quality During the Spring Festival in Chengdu from 2019 to 2022

Abstract: Based on the observation data of air quality and PM2.5 components, the influence of fireworks on pollutant concentrations, PM2.5 components, and secondary transformation during the Spring Festival period from 2019 to 2022 in Chengdu were analyzed. The results indicated that the fireworks had a greater impact on the concentration of SO2, PM2.5, and PM10 than the other pollutants. During the centralized discharge of fireworks from 2019 to 2022, the average hourly concentrations of SO2, PM2.5, and PM10 increased by 6.7, 105.0, and 117.4 μg·m-3, with an increase of 135%, 236%, and 203%, respectively. During the centralized discharge period of fireworks, the contributions of fireworks to the SO2, PM2.5, and PM10 concentration were 10.0%-34.0%, 28.1%-31.3%, and 27.8%-34.6%, respectively. The impact time of fireworks on air quality decreased slightly, from 42 h in 2019 to 38 h in 2022; however, the impact on PM2.5 concentration fluctuated, and the impact in 2022 was similar to that in 2019. The main components of fireworks were K, Cl, Al, K+, and Cl-; the concentrations of these components were high and increased rapidly during the concentrated discharge, accounting for 5%-18% of PM2.5, with an increase rate of 87%-1 511%. The discharge of fireworks had little effect on NH4+, V, Cd, and Co, and the variation range was within±20%. Throughout the pollution period during the Spring Festival, the mass concentrations of the main components of fireworks were 4.9-31.7 times and 7.4-68.2 times that of the heavy pollution and good weather before the Spring Festival, and their proportions increased by 4%-8%. Secondary sources; fireworks; and biomass burning, coal burning, and industry were the main sources of PM2.5 during the 2019-2022 Spring Festival. The contribution rate of fireworks and biomass combustion was 13%-25%, with higher contribution rates in 2019 and 2022. From the perspective of the impact of meteorological conditions on fireworks discharge, high humidity, low wind speed, and low temperature will intensify the impact of firework discharge on air quality and vice versa. Wind speed mainly affected Al, K+, Cl-, and SO42-, whereas relative humidity mainly affected secondary components such as NO3- and NH4+.

Key words:fireworks Spring Festival Chengdu component characteristics air quality

国内外的重大节日均有燃放烟花爆竹的传统和习惯, 烟花爆竹燃放会释放大量大气颗粒物和气态污染物[1, 2], 造成空气污染, 对人体健康产生危害[3].国外学者对节日期间烟花爆竹燃放对污染物浓度水平[4, 5]、颗粒物化学组分[6~8]、粒径分布[9, 10]和人体健康[11, 12]等的影响开展了大量研究, 研究区域多集中在印度[4, 9, 10, 13]、韩国[6]、美国[14]和德国[7]等地区.

国内学者对春节期间烟花爆竹燃放对空气质量影响的研究方向与国外学者大体相同.在对污染物浓度影响方面, 北京[15, 16]、天津[17]和上海[18]等多数地区的研究显示烟花爆竹燃放对PM2.5、PM10和SO2浓度影响显著, 对O3、CO和NO2影响较小, 但Huang等[18]的研究表明除夕和大年初一烟花爆竹集中燃放可导致NO2重度污染, 王雯燕等[19]的研究显示CO也是烟花爆竹燃烧的特征污染物.在对PM2.5组分影响方面, 不同地区研究结果不尽相同, 如朱媛媛等[20]分析了2021年春节至元宵节前后“2+26”城市PM2.5污染过程特征, 结果表明春节和元宵节烟花爆竹燃放以常规污染累积为主, 且为硝酸盐主导, 部分城市春节期间有机物浓度较高; 王红磊等[21]研究结果显示, 南京市春节期间烟花爆竹燃放对PM2.1和PM1.1中的K+、SO42-、NO3-、Cl-和Mg2+影响较大; 杨志文等[22]在天津的研究结果表明, 烟花爆竹燃放对PM2.5中K+、Mg2+、Cl-、SO42-、Na+、NO2-、OC和EC影响较大; 即使同一地区, 不同学者的研究结果也存在差异, 如Pang等[23]的研究表明, 郑州市烟花爆竹燃放主要影响PM2.5中K+、SO42-、Cl-、Mg2+和OC等组分, 而Wei[24]则指出仅Cl-和K+是郑州市烟花爆竹燃放影响的主要组分.在颗粒物数浓度和粒径分布影响研究方面, 现有研究结论基本一致, 烟花爆竹燃放以细颗粒排放为主, 如Zhang等[25]对上海市春节期间10 nm~10 μm颗粒研究显示, 烟花爆竹燃放对100~500 nm颗粒影响明显; 姚青等[26]分析了2013和2014年春节期间天津城区气溶胶数浓度谱分布特征, 结果表明烟花爆竹燃放主要排放的为PM1, 贡献了气溶胶数浓度的99.8%以上.此外, 部分学者开展了烟花爆竹禁放对空气质量的影响研究, 如京津冀地区[3, 20]的研究结果显示, 近年来烟花爆竹燃放对空气质量的影响呈降低趋势, 烟花爆竹禁放成效显著; Chen等[27]研究指出, 严格的烟花爆竹燃放管控措施可使PM2.5浓度下降8%, 仅进行适度的管控对空气质量影响不大.以上研究表明, 烟花爆竹的研究多集中在京津冀及周边和长三角地区, 各地区烟花爆竹燃放对颗粒物粒径分布影响和禁放成效研究等基本一致, 但对污染物浓度和PM2.5组分的影响不尽相同.

四川盆地位于我国西南部的长江上游, 四面环山, 气象条件先天不足, 尤其是冬季污染过程, 平均相对湿度多大于70%, 边界层高度约为500 m, 静小风(< 1.5 m·s-1)频率大于90%[28, 29], 气象条件明显差于京津冀和长三角等地区[20, 30].加之四川盆地污染排放复杂, 企业小而散, 已成为我国污染较为严重的地区之一[31, 32].成都市位于四川盆地西部, 是成渝经济区两个超大城市之一.针对春节期间烟花爆竹燃放对空气质量的影响, 目前仅Wu等[33]在2017年春节期间采用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS)监测了PM2.5及其组分的数浓度, 分析了烟花爆竹燃放对PM2.5组分和二次转化速率的影响.但该研究未获得各组分的浓度, 难以准确地分析烟花爆竹燃放对PM2.5组分的影响, 且成都市2015年开始划定烟花爆竹禁放区域, 2018年进行了修订, 进一步扩大了禁放区范围, 2017年及之前的研究难以反映目前的情况.本研究根据2019~2022年成都市空气质量、PM2.5组分和气象参数数据, 分析烟花爆竹燃放对成都市近年来污染物浓度和PM2.5中组分浓度的影响, 以期为春节期间大气污染防治提供科学参考.

1 材料与方法1.1 研究区域与数据来源

成都市是国务院确定的国家重要高新技术产业基地、商贸物流中心和综合交通枢纽, 是成渝地区双城经济圈核心城市.2021年, 全市下辖12个市辖区、3个县、代管5个县级市, 总面积14 335 km2, 常住人口2 094万人, 地区生产总值(GDP)19 917亿元.

本研究中空气质量数据来源于四川省空气质量监测网络管理平台(http://www.scnewair.cn:3389).PM2.5组分和气象数据来自四川省生态环境科学研究院大气环境超级观测站(E104.07°, N30.63°), 位于成都市中心城区, 所有监测设备均放置于四川省生态环境科学研究院楼顶, 距离地面约20 m.水溶性离子采用气溶胶PM2.5成分监测系统(瑞士万通marga-1s), 每周更换过滤头、阴离子淋洗液、阳离子淋洗液、吸收液, 每月配制标准溶液, 绘制标准曲线.有机碳和元素碳采用美国Sunset在线OCEC监测仪(model 4), 每天零点自动内标检查, 每周检查仪器流量, 每月用标准蔗糖溶液进行外标校正.重金属在线监测设备为horiba PX-375, 每周进行X射线强度检查和能量校准, 每季度用标准滤膜校准.相对湿度、温度、风速等气象因素监测仪器为DAVIS Vantage Pro2 Plus(美国戴维斯公司), 气象因素与污染物浓度同步进行数据采集.环境空气国控站点和超级观测站位置如图 1所示.

图 1 环境空气国控站点和超级观测站位置示意Fig. 1 Location of national ambient air site and superstation

为确保数据统计的准确和有效性, 严格按照《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)[34]和《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663-2013)[35]等标准进行质量控制, 每天24 h连续采样, 设备定期检查并及时维护保养.所有数据均为小时浓度平均值, 日平均值由小时平均值计算得到.

观测时间为2019~2022年的除夕00:00至大年初六23:00.本研究定义除夕至初六为春节期间[36], 除夕18:00至初一11:00为集中燃放期, 春节期间其余时间为非集中燃放期(除夕00:00至除夕17:00, 初一12:00至初六23:00); 定义农历除夕至初一这2 d为烟花爆竹燃放期, 春节期间其余日期为非燃放期(初二至初六).

1.2 研究方法1.2.1 烟花爆竹对污染物贡献计算方法

本研究采用比值法来评估烟花爆竹燃放对大气污染物贡献[22, 37~39], 由于烟花爆竹燃放期间, CO浓度变化较为稳定, 本文选取CO作为参照物, 分析烟花爆竹燃放对PM10、PM2.5和SO2的贡献.

(1) (2)

式中, C为烟花爆竹集中燃放期烟花爆竹燃放对污染物M的贡献量, μg·m-3; M为集中燃放期间污染物M的浓度, μg·m-3; CO为集中燃放期间CO的浓度, μg·m-3; M非和CO非分别为非燃放期污染物M和CO的浓度平均值, μg·m-3; R为集中燃放期间烟花爆竹对污染物M的贡献率, %.

1.2.2 SOR和NOR计算方法

采用硫酸根氧化率(SOR)和硝酸根氧化率(NOR)可以用来说明粒子二次转化程度的高低.计算方法如下：

(3)

(4)

式中, c(SO42-)、c(SO2)、c(NO3-)和c(NO2)分别表示SO42-、SO2、NO3-和NO2的量浓度, mol·m-3.

1.2.3 PMF模型计算方法

采用正定矩阵因子分解(positive matrix factorization, PMF)模型对PM2.5的来源进行解析, PMF模型通过最小二乘法确定主要污染源及其贡献[40], 计算方法如下：

(5)

式中, X为受体点位样品的各组分浓度矩阵, G为源贡献矩阵, F为源成分谱矩阵, E为残差.

2 结果与讨论2.1 空气质量变化

2019~2022年春节期间成都市空气质量如表 1所示.从春节期间浓度均值来看, 2019~2022年空气质量均为优良, 各污染物浓度均未超过GB 3095-2012二级浓度限值.从烟花爆竹燃放期浓度平均值来看, 除2020年外, 其余年份PM2.5浓度均为轻度污染, 其日浓度平均值分别超过GB 3095-2012二级限值的10.7%、52.0%和13.3%, 其他污染物浓度均未超标.2020年烟花爆竹燃放期, 受北方较强冷空气影响, 成都市出现大风降温天气, 扩散条件明显好于其他年份, 致使其空气质量好于其他年份.整体而言, 2019~2022年成都市春节期间空气质量呈逐步改善趋势.

表 1 2019~2022年成都市春节期间各污染物浓度1)Table 1 Pollutant concentrations during the Spring Festival in Chengdu from 2019 to 2022

对比烟花爆竹燃放期各污染物浓度平均值与春节期间浓度平均值, PM2.5、PM10、SO2和NO2燃放期浓度明显高于春节期间平均值, 分别高出春节期间浓度平均值56%、53%、25%和22%, CO和O3浓度无明显变化.相关研究表明, 烟花爆竹燃放排放的主要污染物为PM2.5、PM10和SO2[3, 22, 37, 38], 本研究中NO2浓度较高, 主要受春节假期机动车出行影响[22].

进一步分析2019~2022年除夕前1d、除夕和初一小时浓度平均值, 如图 2所示.除夕18:00前, PM2.5、PM10、SO2和NO2变化趋势基本一致, 受早晚高峰、工业企业排放和气象条件影响, 在夜间和早高峰时段浓度较高.烟花爆竹集中燃放期内, SO2、PM2.5和PM10浓度快速上升, 分别由5.0、44.5和57.8μg·m-3上升至11.7、149.5和175.2μg·m-3, 升幅分别为135%、236%和203%, 而NO2浓度变化相对平缓, 升幅为34%, 进一步表明烟花爆竹燃放对SO2、PM2.5和PM10浓度影响显著.

图 2 2019-2022年除夕前1d至初一污染物小时浓度平均值变化Fig. 2 Average hourly concentration of pollutants from the day before New Year's Eve to the first day of the New Year from 2019 to 2022

2.2 PM2.5组分分析2.2.1 组分时间变化特征

2019~2022年集中燃放期内, PM2.5分别以6.5、1.2、4.1和4.2 μg·h-1速度增长, 增幅分别为343%、78%、69%和128%, 2019年和2022年增长较快(图 3).各年份组分变化较为一致, K、Cl、Al、K+、Cl-、SO42-、NO3-和OC浓度较高且增长较快, NH4+、V、Cd和Co等元素变化不大.以PM2.5浓度增速最快的2019年为例, K、Cl、Al、K+、Cl-、SO42-、NO3-和OC在PM2.5中的占比为5%~18%, 小时增速分别为0.28、0.21、0.26、0.48、0.31、0.36、0.52和0.52 μg·h-1, 增幅为87%~1511%, NH4+、V、Cd和Co变化幅度在±20%以内; 与非集中燃放期相比, 集中燃放期内各组分浓度平均值是非集中燃放期的1.2~7.4倍, 但从在PM2.5中的绝对占比来看, 仅K、Cl、Al、K+、Cl-和Mg2+较非集中燃放期有所上升, 升幅为1%~6%, 其中K+和Cl-升幅较大, 与吕文丽等[36]的研究结果基本一致.原因在于烟花是在火药(主要成分为硫磺、碳粉和硝酸钾等)的基础上加入一定的镁和铝等金属粉末和钡、钠等金属化合物制成的[41], KClO3、KClO4和K2CrO7等是烟花爆竹的氧化剂[42].

其他元素包括V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Sn、Sb、Hg、Ti、Pb、Br、Sc和P图 3 2019~2022年春节期间组分变化Fig. 3 Composition changes during the Spring Festival from 2019 to 2022

Wu等[33]于2017年在成都市的研究结果显示, EC、ECOC、K和OC为烟花爆竹燃放期内主要组分.与本研究的差异主要在EC, 本研究中EC在集中燃放期内占比相对较低, 为1%~4%, 与非集中燃放期的占比无明显差异, 而2017年的研究中EC占比为20%~40%[33].引起差异的原因主要在检测方法的不同, SPAMS采用激光电离的方法获得碳组分的数浓度, 本研究采样设备采用热光法分析获得碳组分的浓度.

为更好地识别烟花爆竹燃放对PM2.5组分的影响, 将2022年春节污染期间与春节前重污染、优良天气组分进行对比, 如图 4所示.与春节前重污染相比, 春节污染期间K、K+、Cl、Cl-、Al、SO42-、Ca、Si和Mg2+浓度均有所上升, 其中K、K+、Cl、Cl-和Al上升明显, 春节污染期间平均浓度是春节前重污染的13.5、13.8、31.7、4.9和10.9倍, NO3-、NH4+、OC和EC均有所下降; 与清洁天气相比, 所有组分浓度均有所上升.从在PM2.5中的绝对占比来看, 与春节前重污染相比, 春节重污染期间K+、K、Al、Cl-、Cl和SO42-占比有明显上升, 分别较春节前重污染上升8%、7%、5%、5%、4%和3%, NO3-、NH4+、OC和EC占比降低, 分别较春节前重污染下降19%、8%、7%和3%;与清洁天气相比, 春节重污染期间K+、K、Al、Cl-、Cl和SO42-占比有明显上升, 较清洁天气上升3%~8%, OC、NO3-和NH4+占比下降, 分别较清洁天气下降9%、7%和4%.总体而言, 春节污染期间, K+、K、Al、Cl-、Cl和SO42-浓度和占比较春节前重污染和优良天气均有所上升.

图 4 2022年春节重污染期间及其他时段PM2.5中化学组分浓度及占比Fig. 4 Concentration and proportion of PM2.5 chemical components during heavy pollution period and other periods of Spring Festival in 2022

PM2.5化学组分特征与污染源排放变化有关.春节前重污染期间, 移动源、工业企业和施工工地等污染排放正常, 与这些源排放相关的OC、EC、NO3-和NH4+等组分浓度均较高[43, 44].春节重污染期间, 受春节假期影响, 移动源活动大量减少、工业企业排放降低、工地停工[45], 相关组分浓度及其在PM2.5中占比呈明显下降趋势.SO42-主要来自燃煤和SO2二次转化[44], 春节期间还来自烟花爆竹燃放, 吕文丽等[36]的研究表明烟花爆竹燃放对SO42-的贡献可达69%.本研究中春节重污染期间SO42-浓度和占比均高于春节前重污染和清洁天气, 表明春节期间烟花爆竹燃放影响大于燃煤、工业企业排放等的影响.Ca和Si等元素被认为是扬尘排放特征组分[43], 通常清洁天气下浓度和占比高于污染天气[46].本研究中, Ca和Si浓度和占比大小顺序为：春节重污染>春节前重污染>优良天气, 一是由于本研究优良天气时段为春节前10 d, 施工工地基本已停工, 导致其排放较低; 二是烟花爆竹中的有色光剂和可燃物中含有Ca和Si等元素[33], 造成春节期间其浓度和占比均为最高, 与Wu等[33]于2017年在成都的观测结果一致.清洁天气下OC占比高于春节前和春节重污染, 与肖致美等[47]在天津的研究结果相同, 可能与光化学反应生成的二次有机碳有关[48].

2.2.2 烟花爆竹燃放对空气质量影响分析

成都市常规污染过程和清洁过程K+、Cl-、Al、K和Cl等组分在PM2.5中的占比之和均低于10%, 其中K+、Cl-、K和Cl占比均低于3%[28], 结合春节期间各组分小时浓度在PM2.5中占比分布情况, 本研究选取K+、Cl-、Al、K和Cl占比之和大于15%, 且单个组分占比高于3%的时段作为烟花爆竹燃放影响时段, 具体如表 2所示.2019~2022年, 春节期间烟花爆竹燃烧对空气质量影响时间为38~42 h, 2022年影响时长最短, 2019年和2021年较长.影响时段内, 2020年PM2.5浓度仅超标1 h, 2022年超标17 h, 2019年和2021年均超标33 h.从对PM2.5浓度影响来看, 除2020年外, 其他年份影响时段内PM2.5浓度平均值均明显高于其他时段, 2019、2021和2022年影响时段内均值分别是其他时段的2.2、2.0和2.2倍.因此, 2019~2022年烟花爆竹对空气质量影响时间整体呈下降趋势, 但对PM2.5浓度的影响呈波动变化.烟花爆竹排放对PM2.5浓度的影响同时受排放量和气象条件影响, 需结合气象条件进一步分析.

表 2 烟花爆竹影响时长和对PM2.5浓度影响分析Table 2 Analysis of the influence duration and PM2.5 concentration of fireworks

烟花爆竹燃放对PM10、PM2.5和SO2浓度的贡献如表 3所示. 2022年, 烟花爆竹集中燃放对PM2.5、PM10和SO2贡献量分别为37.1、47.6和2.8μg·m-3, 贡献率分别为30.8%、34.6%和34.0%, 与吕文丽等[36]在保定市(PM2.5为31.7%)和Tian等[49]在天津市(PM2.5为29.7%)的研究结果相近, 低于Kong等[50]在南京的研究结果(PM2.5为60.1%).从变化趋势来看, 2020年烟花爆竹集中燃放对PM2.5、PM10和SO2贡献率较2019年分别下降3.2、5.7和9.4个百分点; 2021年贡献率与2020年相当, 2022年贡献率则有所上升, 对PM2.5和PM10的贡献率与2019年相当, 对SO2贡献率明显高于2019~2021年.原因可能是, 一方面, 2022年气象条件较为不利, 利于污染物累积; 另一方面, 随着火电超低排放工作推进, 以及《成都市锅炉大气污染物排放标准》(DB 51/2672-2020)[51]的实施(2021年1月1日), SO2排放有所下降, 导致除夕夜SO2背景浓度明显低于其他年份.

表 3 2019~2022年烟花爆竹集中燃放对污染物浓度贡献Table 3 Contribution of centralized discharge of fireworks to pollutant concentrations from 2019 to 2022

2.2.3 气象条件影响分析

2019~2022年燃放期内PM2.5、SO2浓度和各气象要素小时变化如图 5所示.除2020年外, 各年份PM2.5浓度从除夕18:00开始缓慢上升, 至初一08:00~09:00出现峰值, 之后开始下降.SO2浓度上升时间与PM2.5基本相同, 但峰值出现时间有所差异, 2019年和2021年峰值均出现在初一11:00~12:00, 2022年出现在初一01:00~02:00.PM2.5和SO2浓度上升过程中, 风速和温度呈下降趋势, 相对湿度呈上升趋势.以2021年为例, 除夕18:00至初一10:00, ρ(PM2.5)从75μg·m-3上升至171μg·m-3, ρ(SO2)从4.3μg·m-3上升至10.4μg·m-3, 风速从1.4 m·s-1下降至0.02 m·s-1, 温度从17.8℃下降至12.8℃, 相对湿度从57.8%上升至77.0%.

图 5 燃放期内污染物浓度和气象参数时间变化Fig. 5 Time variation in pollutant concentration and meteorological parameters during firework discharge period

2020年烟花爆竹集中燃放期内, PM2.5和SO2浓度整体均较低, ρ(PM2.5)仅在初一06:00~07:00上升至93μg·m-3和71μg·m-3, 其余时段浓度基本均低于50μg·m-3, ρ(SO2)在初一04:00~10:00期间, 由4.1μg·m-3缓慢上升至8.6μg·m-3.从气象条件看, 在集中燃放期前(除夕11:00~18:00), 风速均较高, 小时风速最高达3.2m·s-1, 而其他年份均低于1.5 m·s-1, 对污染物浓度有较好的稀释扩散作用[20].集中燃放期内, 风速有所降低, 但相对湿度和温度没有明显变化, 相对湿度保持在70%左右, 温度保持在8℃左右, 导致污染物浓度未出现其他年份快速上升的情况, 且从初一08:00开始, 风速和温度开始上升, 相对湿度开始下降, 10:00后低于60%, 不利于污染物累积[28].因此, 高湿、低风速和低温会加剧烟花爆竹燃放对空气质量的影响, 反之亦然.这与常规污染过程气象条件对污染物浓度的影响相同[52, 53].

PM2.5主要组分和气象参数集中燃放期与其他时段对比结果如表 4所示.2019~2022年, 集中燃放期内Al、K+、Cl-和Mg2+均高于其他时段, 增长倍数分别为0.8~5.4、0.9~4.9、0.9~3.9和1.3~5.5倍.从气象条件看, 集中燃放期平均风速均低于其他时段, 各年份比较而言, 2020年风速最高, 2022年风速最低, Al、K+、Cl-和SO42-等组分增长倍数均是2022年最高, 2020年最低, 与风速变化相反, 表明这些组分主要受风速影响.2021年和2022年集中燃放期内相对湿度高于2019年和2020年, 均大于70%, 集中燃放期内NO3-和NH4+平均浓度2021年和2022年均略高于其他时段, 2019年和2020年则略低于其他时段, 表明相对湿度主要影响二次组分.此外, 2020年风速最高, 温度和相对湿度处于较低水平, 各组分集中燃放期内浓度与其他时段差异均较小, 表明污染排放受气象条件影响显著.

表 4 集中燃放期与其他时段PM2.5主要组分和气象参数对比1)Table 4 Comparison of PM2.5 components and meteorological parameters between fireworks concentrated discharge and other periods

2.2.4 对二次无机离子转化速率的影响

NO3-、NH4+和SO42-主要由SO2、NOx和NH3等前体物在大气中经过一系列复杂反应生成, 已有研究表明若SOR和NOR大于0.1, 此时大气有可能发生SO2和NOx的二次转化, 值越高, 表明同样浓度的SO2和NOx转化为二次颗粒物就越多[54, 55]. 2019~2022年燃放期和非燃放期SOR和NOR值如表 5所示, SOR值为0.37~0.56, NOR值为0.11~0.36.燃放期SOR和NOR值基本均大于非燃放期, 这与保定市[36]和北京市[56]的研究结果相似. 2019~2022年, 燃放期SOR和NOR值呈上升趋势, 可能与相对湿度有关.有研究表明, SOR和NOR值与相对湿度呈正相关, 湿度越高, 越有利于SO2的非均相氧化反应和NOx的非均相水解反应[28, 33, 57], 2019~2022年燃放期平均相对湿度呈上升趋势, 分别为51%、65%、68%和75%.

表 5 2019~2022年燃放期和非燃放期SOR和NOR值Table 5 Value of SOR and NOR in fire period and non-fire period from 2019 to 2022

2.3 PM2.5来源解析

2019~2022年春节期间PM2.5来源解析如图 6所示.各年份二次源贡献率均为最高, 为35%~50%, 其次为烟花爆竹和生物质燃烧、燃煤和工业, 扬尘源的贡献率相对较低.2020年烟花爆竹和生物质燃烧对PM2.5的贡献率最低, 为13%, 2019年和2022年贡献率较高, 分别为25%和24%.有研究表明, 成都市冬季污染期间, 二次源、机动车和燃煤源为PM2.5的主要污染来源[28], 可见无论是冬季常规污染过程还是春节特殊时期, 二次源、燃煤和工业均是成都市PM2.5的主要贡献源, 烟花爆竹燃放和生物质燃烧作为春节特殊时期的污染源, 进一步加重了PM2.5污染.

图 6 2019~2022年春节期间PM2.5源解析Fig. 6 Analysis of PM2.5 sources in Spring Festival from 2019 to 2022

3 结论

(1) 烟花爆竹燃放对SO2、PM2.5和PM10浓度影响显著, 2019~2022年集中燃放期内小时浓度升幅分别为135%、236%和203%, 集中燃放对SO2、PM2.5和PM10浓度的贡献率分别为10.0%~34.0%、28.1%~31.3%和27.8%~34.6%.

(2) 2019~2022年, 春节期间烟花爆竹燃烧对空气质量影响时间为38~42 h, 整体呈小幅下降趋势.2019、2021和2022年影响时段内PM2.5浓度均值分别是其他时段的2.2、2.0和2.2倍, 表明对PM2.5浓度的影响呈波动变化.

(3) 集中燃放期内, K、Cl、Al、K+和Cl-浓度较高且增长较快, 在PM2.5中的占比也较非集中燃放期有所上升.2022年春节污染期间, K+、K、Al、Cl-、Cl和SO42-浓度和占比较春节前重污染和优良天气均有所上升, OC、NO3-和NH4+占比有所下降.成都市烟花爆竹燃放主要组分为K、Cl、Al、K+和Cl-等.

(4) 高湿、低风速和低温会加剧烟花爆竹燃放对空气质量的影响, 反之亦然.风速主要影响Al、K+、Cl-和SO42-等组分, 相对湿度主要影响NO3-和NH4+等二次组分.

(5) 2019~2022年春节期间, 二次源对PM2.5的贡献率均为最高(35%~50%); 烟花爆竹和生物质燃烧对PM2.5的贡献率为13%~25%, 呈波动变化, 2022年和2019年贡献率相当, 均处于较高水平.